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电脑还能这么小？指甲盖大小的电脑也能控制机器人!

2018-5-11 10:39:11 4758 51单片机

0 `` 早上，电子闹钟将我们唤醒，我们打开热水壶，它开始咕噜咕噜地烧水，微波炉“叮”地一声，早餐就热好了。这些电子设备能够实现功能，都是因为背后有一些神秘的小家伙，默默地操控这一切。各种电子设备这些黑乎乎的小家伙就是单片机，它们可以传输信息，进行简单的逻辑运算，并且实时性很高，控制机器按照设定好的要求运作，长这个样子：单片机生活中，无论是工业机器人、服务机器人还是家用机器人，都有许多传感器，譬如温度传感器、激光雷达、摄像头等等，它们相当于机器人的感知器官（眼睛、皮肤等等），使机器人能够自主感知周围环境。此外，机器人还有许多动力装置，比如电机和气缸，它们就像肌肉，让机器人动起来。那么，机器人从“感知外界”到“做出反应”，还需要一个大脑将它们关联起来，单片机就充当了这个大脑。感知器官与大脑单片机与它们连接，用各种各样的通信方式去沟通，比如串口，I2C，CAN等等，就像人类用写信、发邮和打电话之类不同的方式沟通一样。从而获取传感器的数据，处理数据，最后控制动力装置运动。这个神奇的小东西，到底什么来头？什么是单片机？单片机（Single Chip Microcomputer, 单片微型计算机），又称微控制器（Micro Controller，Unit, MCU）。顾名思义，就是单块芯片做成的微型计算机。我们需要事先将程序烧入单片机中（相当于设定好它的工作内容是什么），然后将它搭载在电路板上工作。电路板上的单片机那么，单片机里面都有些什么呢？单片机的组成单片机是单个芯片做成的“微型计算机”。单片机虽小，电脑的“五脏”：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，它一应俱全。单片机组成在电脑里，运算器和控制器被合成 CPU，单片机里也是如此，用于做数据计算。电脑的存储器包括硬盘和内存，在单片机里分别对应的是 ROM 和 RAM，用于储存数据。输入设备和输出设备是计算机和外界沟通的工具。电脑主机通过 USB 连接鼠标键盘，通过 HDMI 或 VGA 口连接显示屏（现在还有其他的方式，比如蓝牙来完成连接）。而单片机的输入输出设备是四周遍布的引脚，这些引脚可以与外界交流。单片机除了这些之外，单片机内有还有时钟电路、定时/计数器和中断系统，它们和控制器一起保证着整个单片机的有序运行。在 RoboMaster 赛场上，机器人接收信号后，能够快速处理信息，并做出相应动作，也是单片机的功劳。机器人追逐下面就分别介绍单片机各个部位的原理和作用。 CPU：控制器、运算器与寄存器单片机是集成数字电路芯片，也就是靠数字电路来传输数据。数字电路主要处理二进制的数字信号，所有的数字、指令都是用 1 和 0 这样的二进制码存储的。每一个 1 或 0 称为一个位（bit）。 BIT 是什么通常数字电路有阈值电压，超过阈值电压则被认为是高电平（数字 1），低于阈值电压则被认为是低电平（数字 0）。在电路受到轻微干扰的时候（比如说 5V 变成 4.9V），只要还在阈值电压之上就视为高电平，就保证了计算的稳定性。 CPU 是由很多三极管（transistor）组成的。三极管是一个电子开关，可以通过左边那只手来控制右边电路的导通和截止。三极管三极管通过一些特定的组合方式，形成了与、或、异或、非等等的门电路（logic gates）。不同的门电路代表对数字信号进行不同的处理。门电路这些门电路再通过一定的组合，形成了加、减、移位之类的基本模块（basic modules）。正是这些模块在处理数字电路中的 0 和 1，对数据做加减法，有了加减法，就可以做乘除法，进一步就能进行各种复杂的数学运算。加法电路比如说机器人的运动控制中，电机的速度参数、角度参数都会以二进制编码的高低电平信号传入单片机中进行 PID 运算等等，而运算得到的控制量也会以二进制编码的高低电平信号反馈给电机。 CPU 组成运算器和控制器中还有一个叫做寄存器的东西，用于暂时存放控制信息和数据信息。这些与非门电路除了能构成运算电路外，还能构成锁存器电路，寄存器就是由锁存器电路实现的。存储器：RAM和ROM RAM（Random Access Memory, 随机存取存储器）在运算的时候，会产生大量的临时数据，这些数据被记录在一个叫做 RAM 存储器里。RAM 就像一本魔法草稿本，上面处理的数据是会快速更新的，CPU 会按程序的要求，在 RAM 的特定位置读写数据。 RAM 相当于读写数据的草稿本但由于技术所限，目前的 RAM 都需要电来维持体内数据的存在。一旦失去电源，RAM 内的数据就会全部消失。非失电保护 ROM（Read-Only Memory，只读内存） CPU 想要工作，需要我们事先写好工作流程（指令或程序），这个工作流程就被刻在了一个叫 ROM 的存储器里。有些数据需要长期保存，比如说机器人今天学到的新知识，也会被写到 ROM 上。 ROM 就像一个石碑，上面记的程序是固定不变的，能够在断电后继续保持体内的数据（失电保护），但它的读写速度较慢。 ROM 相当于刻着程序的石碑 CPU 工作的时候，控制器会把程序的位置（程序地址）记录在寄存器中，运算器再通过这个地址找到 ROM 里的程序进行运算，这个过程也少不了连接这些部件的通信通道——内总线。早先的 ROM 都是只读的，也就是出厂的单片机的程序无法修改。后来科学家们发明了各种可以擦的 ROM，比如说可以用紫外线“魔法”将石碑恢复原貌的 EPROM，可以用电“魔法”将石碑恢复原貌的 EEPROM 等等。输入/输出设备：并行 I/O 端口和串行通信端口单片机用密密麻麻的引脚与外界联系，它们就像电脑上的 USB、HDMI、网口等插口。引脚往往拥有多种功能，就像奥特曼可以切换不同形态来改变功能。引脚也可以通过程序更改功能（术语叫复用功能）。单片机上的引脚并行 I/O 口单片机四周的许多引脚都可以被复用为 I/O口。I/O 口可以设置为输入（Input）模式或输出（Output）模式，1 和 0 用高低电平表示。输出状态下，I/O口可以作为开关，甚至输出电流来驱动外部设备。如果跟外界进行简单通信，通过多个引脚并排输出，就可以控制一些 LCD 显示屏。并行 I/O 口这种通信方式用了大量的引脚，理论上数据传输率高，但是由于传输过程需要保持时序一致，导致速度有限、易受干扰。串行通信在机器人比赛中，机器人往往会搭载多块单片机和电脑，它们之间通常采用通信效率更高的串行通信。串行通信通过少量的引脚发送变化的电平来交流。串行通信虽然理论上引脚少了会降低传输效率，但因为不需要保持每个引脚的时序一致，所以反而耗时更短。中断无论是个人电脑还是单片机，在工作中都少不了一个帮手——中断。中断是指，正常程序运行过程中出现特殊情况需要处理，处理器就会自动停止当前运行程序，并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回之前被暂停的程序继续运行。中断中断机制提高了系统效率，在维持系统可靠工作的同时，又满足了实时处理要求。为什么会有特殊的情况需要处理呢？我们举个例子：在 RoboMaster 赛场上，当机器人在运动时，裁判系统会同时传来信息，告诉你机器人现在的功率、速度等等。这时单片机会停止机器人运动，并且记下当前的程序运行到哪了，然后去运行接收裁判系统数据的程序，接收完再回来继续运行机器人运动的程序。左下角的数据显示由于这个过程耗时十分之短，机器人实现了“近似的”一边控制运动一边接收数据的功能。再比如，我们日常会一边美滋滋地看电影，一边在后台下载其他资源，我们会以为这两件事在同步进行。其实，电脑是通过中断功能“假装自己同步进行”，不停地在播放电影和下载资源之间来回切换，切换速度快到我们感受不到。 PPT 浏览和音乐播放切换进行切换速度再快也会有个极限，这个极限就是单位时钟周期。时钟所有的数字系统的工作都离不开一个东西——时钟。这里说的时钟不是家里挂的钟或者手上戴的表，而是一种基准信号。就像队列齐步走的时候，有人在喊一二一，大家会跟着喊的节奏来走路。单片机的工作节奏就是跟着时钟走的。无论是计算机还是单片机，在一个时钟周期里都只完成一个最基本的操作，时钟周期越小，处理器工作频率越高，因此时钟频率是处理器性能的重要衡量标准。但根据指令的复杂程度不同，完成一个指令的所需的时钟周期也是不同的，所以时钟频率也并不等同于指令执行速率或系统总体性能。时钟的节奏和信号频率单片机的入门单片机在许多竞赛中都扮演着十分重要的角色，想要入门单片机，就需要动手进行代码编程开发。其实学习单片机开发的门槛很低，大致流程是代码编写、代码编译、下载至单片机和调试。所以，首先要学会基本的 C 语言，然后针对自己感兴趣的单片机平台去购买对应的开发板，跟着配套的教材学习单片机各个功能的实现原理与代码编程。容易上手的流水灯制作一般，想要基础入门和深入理解单片机工作原理，我们可以使用 51 单片机。它内部结构简单，但编程过程比较麻烦。 51 单片机学习可阅读《新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略》，作者：郭天祥，电子工业出版社。 + 在 RoboMaster 比赛中，我们为机器人选择的单片机多是基于 ARM 内核体系的单片机，比如意法半导体公司（文中简称 ST公司）开发的 STM32F1、STM32F4 系列单片机。若想深入学习 STM32 开发，可阅读书籍《STM32库开发实战指南：基于STM32F4》，作者：刘火良、杨森，机械工业出版社。 `` 0
2018-5-11 10:39:11　　评论淘帖0 举报相关推荐 • MIT微型芯片可造指甲盖大小的无人机 3134 • 得益于MIT未来的无人机可能只有指甲盖大小 3359 • 未来或实现利用指甲盖大小的芯片代替超级计算机？ 2217 • 比小指甲盖还小！这款射频模块全球适用！ 773 • 为什么我的电脑max连不上DINI机器人？ 3537 • 原始机器人电脑器官移植 4614 • 麻省理工设计微型芯片，让无人机像指甲盖一样小 1770 • 机器人能种地能喷药还能除草 3194 • NFC智能指甲盖新一代智慧生活支付方式 925 • 请问一台电脑如何控制多个nao机器人 125958